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Con lo sviluppo rapido dell'energia distribuita, i sistemi di accumulo energetico domestici sono diventati sempre più importanti per migliorare l'efficienza nell'utilizzo dell'energia e potenziare la stabilità dell'alimentazione elettrica. Essendo un componente centrale dei sistemi di accumulo energetico domestici, i convertitori DC-DC bidirezionali svolgono un ruolo fondamentale nel realizzare un flusso energetico bidirezionale efficiente e flessibile tra batterie, rete elettrica o carichi. Tra i vari componenti dei convertitori DC-DC bidirezionali, gli induttori di potenza ad alta corrente svolgono un ruolo estremamente importante, e le loro prestazioni influiscono direttamente sull'efficienza complessiva, sulla stabilità e sull'affidabilità dei convertitori.
1- Panoramica del principio di funzionamento dei convertitori DC-DC bidirezionali in Casa Sistemi di accumulo di energia
I convertitori DC-DC bidirezionali possono trasferire energia tra diversi livelli di tensione continua. In modalità di carica, convertono la tensione più elevata proveniente dalla rete o da fonti fotovoltaiche in una tensione più bassa adatta alla ricarica della batteria per immagazzinare energia. In modalità di scarica, innalzano la tensione più bassa della batteria a una tensione più alta che soddisfa i requisiti del carico oppure può essere reimessa nella rete. Prendendo come esempio il comune convertitore DC-DC bidirezionale di tipo Buck-Boost, nella modalità step-down (Buck), quando l'interruttore di potenza (MOSFET) è chiuso, l'alimentazione di ingresso fornisce energia al carico attraverso l'induttore, aumentando la corrente nell'induttore e accumulando energia. Quando l'interruttore è aperto, la corrente nell'induttore continua a fluire verso il carico attraverso un diodo di ricircolo (o rettificatore sincrono), rilasciando l'energia accumulata, consentendo così un'alimentazione continua al carico anche durante i periodi di apertura dell'interruttore. Nella modalità step-up (Boost), quando l'interruttore è chiuso, l'alimentazione di ingresso carica l'induttore, che accumula energia. Quando l'interruttore è aperto, l'induttore e l'alimentazione di ingresso agiscono insieme per aumentare la tensione di uscita.
Figura 1. Diagramma dello scenario applicativo per l'accumulo di energia residenziale
2- Il ruolo degli induttori di potenza nei convertitori DC-DC bidirezionali
Gli induttori di potenza svolgono un ruolo fondamentale nei convertitori DC-DC bidirezionali in quanto componenti chiave per l'accumulo e il trasferimento di energia. Durante la fase di accensione, la corrente nell'induttore aumenta gradualmente e l'energia elettrica viene immagazzinata nell'induttore sotto forma di energia magnetica. Quando l'interruttore viene spento, la corrente nell'induttore diminuisce e l'energia magnetica viene riconvertita in energia elettrica, garantendo la continuità della corrente nel circuito e realizzando una conversione di tensione in aumento o in diminuzione. Poiché gli induttori di potenza nei convertitori DC-DC bidirezionali operano principalmente in condizioni di corrente ad alto ripple, generando perdite significative, ridurre la DCR dell'induttore e aumentare la frequenza di funzionamento può aiutare a contenere tali perdite in condizioni di alto ripple di corrente.
3- L'impatto degli induttori di potenza sui convertitori DC-DC bidirezionali
3.1 Valore dell'induttanza
Il valore dell'induttanza influenza direttamente il rapporto di conversione della tensione, l'ondulazione della corrente e la velocità di risposta dinamica del convertitore. Quando il valore dell'induttanza è elevato, l'ondulazione della corrente è ridotta, il che permette di ottenere una tensione di uscita più stabile, favorendo il miglioramento dell'efficienza e della stabilità del convertitore. Tuttavia, ciò potrebbe rallentare la risposta dinamica del convertitore, impedendogli di regolare rapidamente la tensione di uscita in caso di variazioni del carico. Quando il valore dell'induttanza è troppo basso, sebbene la risposta dinamica sia rapida, l'ondulazione della corrente risulta elevata, aumentando le perdite nei dispositivi di potenza e riducendo l'efficienza del convertitore; inoltre, potrebbe verificarsi un'oscillazione del circuito, compromettendo il normale funzionamento del sistema. Nella progettazione pratica, è necessario considerare attentamente la modalità operativa del convertitore, le caratteristiche del carico e i requisiti prestazionali al fine di selezionare accuratamente il valore dell'induttanza.
3.2 Corrente di saturazione
Quando la corrente attraverso l'induttore è troppo elevata, la densità di flusso magnetico del nucleo raggiunge il valore di saturazione, l'induttore entra in uno stato di saturazione magnetica e il valore di induttanza diminuisce bruscamente. Nei convertitori DC-DC bidirezionali, la saturazione magnetica dell'induttore può portare a una perdita di controllo della corrente, a un aumento significativo dell'ondulazione e al danneggiamento dei dispositivi di commutazione a causa del sovraccarico di corrente, compromettendo gravemente il funzionamento normale del convertitore. Per evitare la saturazione magnetica, è necessario progettare in modo adeguato il materiale e le dimensioni del nucleo, garantendo che l'induttore non vada in saturazione alla massima corrente di funzionamento del convertitore. Allo stesso tempo, si possono adottare metodi come l'aumento dei traferri per ampliare la gamma operativa lineare dell'induttore e migliorare l'affidabilità del convertitore. Codaca ha sviluppato autonomamente diverse serie di induttori ad alto amperaggio con nucleo in polvere magnetica, utilizzando nuclei in polvere magnetica formulati con brevetto per migliorare le caratteristiche di saturazione degli induttori.
3.3 Resistenza in corrente continua (DCR)
La resistenza in corrente continua indica la resistenza interna dell'avvolgimento dell'induttore in condizioni di corrente continua. Minore è la DCR, minore è la perdita di potenza generata quando scorre corrente, migliorando così l'efficienza complessiva.
Nella selezione, dare priorità ai prodotti con caratteristiche di bassa DCR per ridurre le perdite per conduzione e migliorare l'efficienza del convertitore.
3.4 Frequenza di funzionamento
L'aumento della frequenza di commutazione dei convertitori DC-DC bidirezionali può ridurre le dimensioni dei componenti passivi come induttori e condensatori, migliorando la densità di potenza e la velocità di risposta dinamica del convertitore. Tuttavia, quando gli induttori operano a elevate frequenze, l'impatto dei parametri parassiti si intensifica, con effetto pelle ed effetto prossimità che portano a un significativo aumento delle perdite negli induttori. I materiali magnetici tradizionali potrebbero non soddisfare i requisiti, aggravando problemi come il riscaldamento causato dalle perdite nel nucleo. Pertanto, la selezione di prodotti induttivi per applicazioni ad alta frequenza rappresenta una fase cruciale per garantire il funzionamento stabile del sistema.
3.5 Temperatura di Funzionamento
I sistemi domestici di accumulo dell'energia operano in ambienti complessi, richiedendo induttori di potenza con eccellenti proprietà fisiche e adattabilità ambientale. Le dimensioni e il peso dell'induttore devono soddisfare i requisiti di design compatto degli apparecchi domestici per l'accumulo di energia. In condizioni difficili come alte temperature e umidità, l'induttore deve mantenere prestazioni stabili, con materiali del nucleo poco sensibili a temperatura e umidità, e deve mostrare buone prestazioni di dissipazione del calore unitamente a resistenza all'umidità, alla muffa e alla corrosione. Nella scelta, è preferibile optare per induttori adatti a temperature elevate, con basse caratteristiche di deriva termica e di polarizzazione in corrente continua, come prodotti con nucleo in ferrite ad alta corrente.
4- Soluzioni Codaca per convertitori DC-DC bidirezionali per l'accumulo domestico di energia
Codaca ha fornito numerose soluzioni di induttori adattati per convertitori DC-DC bidirezionali residenziali attraverso ricerca e sviluppo autonomi e innovazione tecnologica, contribuendo allo sviluppo verde e a basso contenuto di carbonio. CODACA ha lanciato diversi modelli di induttori di potenza ad alta corrente, offrendo varie caratteristiche elettriche e progetti di package per soddisfare i requisiti prestazionali elevati degli induttori per questa applicazione. Tra questi, l'induttore di potenza ad alta corrente sviluppato autonomamente da Codaca con nucleo in polvere magnetica presenta una corrente di saturazione elevata, basse perdite, alta efficienza di conversione e alta temperatura di funzionamento, soddisfacendo le esigenze del sistema di convertitore DC-DC bidirezionale residenziale in termini di corrente operativa elevata, basse perdite e alta densità di potenza.
Figura 2. Induttore ad alta corrente Codaca
Come componente fondamentale dei convertitori DC-DC bidirezionali residenziali, gli induttori di potenza svolgono un ruolo insostituibile nell'accumulo e nella conversione dell'energia, nonché nella soppressione del ripple di corrente. Le loro prestazioni influiscono direttamente sull'efficienza, la stabilità e l'affidabilità dei convertitori. Con il continuo progresso della tecnologia di accumulo energetico domestico, i requisiti prestazionali per gli induttori di potenza diventano sempre più stringenti, con tendenze chiave rappresentate dall'elevata densità di potenza, dal funzionamento ad alta frequenza e dall'integrazione. Per far fronte a queste sfide, Codaca Electronics conduce ricerche approfondite in settori come lo sviluppo di materiali magnetici per nuclei e l'ottimizzazione della progettazione strutturale, migliorando costantemente le prestazioni degli induttori di potenza, fornendo un solido supporto al miglioramento delle prestazioni e all'innovazione tecnologica nei convertitori DC-DC bidirezionali residenziali. Ciò contribuisce a favorire applicazioni più ampie ed efficienti dei sistemi di accumulo energetico domestico nel campo dell'energia distribuita.